Hoe houdt een toerentalregelaar het motortoerental constant?

Het principe van terugkoppeling in zijn eenvoudigste vorm

Closed-loop-werking: hoe een regelaar de uitvoer in realtime kan aanpassen op basis van feedback

Een toerentalregelaar is een apparaat dat een constant motor-toerental handhaaft met behulp van regelsystemen met terugkoppeling en bewakingsapparatuur zoals magnetische pick-ups of andere toerentalmeters om de werkelijke rotatiesnelheid te meten. De toerentalregelaarcontroller is een apparaat dat, bij belastingen die 'weglopen', bewaakt hoe sterk de werkelijke snelheid afwijkt van een vooraf ingestelde doelsnelheid. Op dat moment berekent de controller een correctieve maatregel en stuurt een commando naar het gashendel- of brandstofactuatorapparaat. Bijvoorbeeld: bij een daling van 5% in het toerental als gevolg van de belasting wordt de brandstoftoevoer onmiddellijk verhoogd, binnen een paar milliseconden. Deze terugkoppelcyclus lost het regelprobleem op in systemen met terugkoppeling, en de terugkoppelsignalen compenseren voor extra, niet-meegenomen variabelen zoals wrijving of temperatuurdrift die van invloed zijn op de snelheid van de toerentalregelaar. Regelgeven op basis van terugkoppeling van het toerental is uiterst belangrijk voor toepassingen van generatoren, waarbij toerentalafwijkingen van slechts ±0,25% leiden tot variaties in de netfrequentie.

De drie basiselementen van een toerentalregelaar die nodig zijn om op stabiele wijze te functioneren

De onderdelen die nodig zijn voor een stabiel snelheidsregelsysteem hebben de volgende drie onderling afhankelijke basiselementen.

- de instelwaarde: gekalibreerde doelomwentelingen per minuut (bijv. 1800 omw/min voor 60 Hz-generatoren)

- het foutsignaal: het kwantificeerbare, gemeten verschil dat actief en continu (met een frequentie van 50–100 keer per seconde) wordt berekend

- de activering: mechanische, hydraulische of elektronische systemen die het commando uitvoeren en aanpassingen aan de brandstof- (gasklep-)regeling verrichten (tot wel 70% vermindering van de brandstofregeling) bij een overspeed-conditie.

De volledige cyclus van het toerentalregelapparaat werkt gelijktijdig via drie onderling afhankelijke componenten. Een PID-regelaar (Proportioneel-Integraal-Afgeleid) minimaliseert de responstijd van het systeem en de algehele prestaties van de toerentalregelaar, terwijl een totale snelheidsafwijking van minder dan 2% wordt bereikt bij belastingsvariaties van 0 tot 100% om de toerentalregelaar te besturen.

Mechanica van centrifugale toerentalregelaars: meten van het toerental door evenwicht van krachten

Vlieggewichten: centrifugale kracht versus veerkracht bij verschillende toerentallen (RPM)

De vlieggewichten draaien om een centrifugale kracht te genereren die evenredig is met het kwadraat van het motortoerental (RPM). Bij hogere snelheden overwint deze kracht de resulterende veerkracht. Als gevolg daarvan bewegen de gewichten verticaal. Op het evenwichtspunt, waarbij de centrifugale kracht gelijk is aan de resulterende veerkracht, correspondeert de verticale positie van de vlieggewichten met een ingesteld toerental. Voor industriële regelaars is de centrifugale kracht bij 3.000 RPM 15–20% groter dan de resulterende veerkracht. Daardoor is een proportionele reactie gegarandeerd: bij een piek in het toerental wordt binnen minder dan 0,2 seconde een correctieve maatregel ingezet, gebaseerd op het fundamentele beginsel van krachtenevenwicht bij toerentalregeling.

Mechanische koppelingen en gasklepbediening: omzetting van beweging in brandstofmodulatie

De verticale beweging van de vliegwielgewichten duwt direct een gaskleppenarm via een huls. Dit is een zuiver mechanische omzetting van beweging en leidt op zijn beurt tot een vermindering van de brandstoftoevoer met 8%–12% per 1 mm beweging van de huls bij dieselmotoren. Een hefboomsverhouding van ongeveer 4:1 tot 6:1 is in dit geval typisch. De belangrijkste factor van dit ontwerp is dat het absoluut veilig is en geen externe energiebron vereist. De kinetische energie van de roterende assemblage is ruimschoots voldoende om de verbranding te regelen en een constante snelheid te handhaven.

Analyse van de reactie van de toerentalregelaar op oversnelingsomstandigheden

De toerentalregelaar reageert op oversnelingsomstandigheden, waarbij de remwerking van de regelaar gerelateerd is aan de snelheid waarmee de oversneling optreedt.

Het primaire doel hier is om een bepaald vertragingniveau te behouden, aangezien oversnelingsomstandigheden kunnen optreden als gevolg van een toegenomen belasting op de toerentalregelaar wanneer de motor met een toerentalregelaar werkt en een belasting op de toepassing uitoefent die groter is dan de ontworpen belasting voor de toerentalregelaar.

Huidige beperkingen van toerentalregelaars

De beperkingen van traditionele mechanische toerentalregelaars zijn de inherente beperkingen van de nauwkeurigheid van de mechanische regelaar, de tijd die de mechanische regelaar nodig heeft om te reageren op een belastingsverandering en de snelheid waarmee de regelaar op een belastingsverandering kan reageren. Mechanische regelaars maken gebruik van vliegwielsystemen en veersystemen, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid mechanische traagheid in de regelaar wordt ingevoerd; dit leidt er vervolgens toe dat de regelaar met een vertraging reageert op de correctie die nodig is, in de orde van grootte van (300–500 milliseconden). Dit resultaat betekent dat de regelaar zal reageren op elke belastingsverandering die buiten de ontwerpcriteria ligt van ongeveer (1–3 %) en dat de toerentalregelaar een beperkte maximale snelheid heeft.

Elektronische toerentalbegrenzers breiden de grenzen van het toerentalbegrenzersysteem uit door microprocessor-gestuurde correcties in het systeem met een responstijd van ongeveer 50 milliseconden. Dit biedt een ongekende nauwkeurigheid bij snelheidsregeling van ± 0,25 % van de doelsnelheid. Hierdoor wordt ook de snelheid geregeld bij plotselinge belastingsveranderingen (bijvoorbeeld bij verlies van belasting). Dergelijke toerentalbegrenzers maken ook gebruik van technologieën zoals GPS en Intelligent Speed Assistance (ISA) voor geografisch afgebakende gebieden (zoals schoolzones en werkzones), waarbij de maximale snelheid automatisch wordt beperkt zonder enige ingreep van de bestuurder. Telemetrie (met name voor diagnose) wordt eveneens aangeleverd voor voorspellend onderhoud; in de meeste gepubliceerde efficiëntieonderzoeken onder vlootbeheer is bovendien een brandstofbesparing van 4–7 % gerapporteerd.

Frequently Asked Questions (FAQ)

Wat is een snelheidsbegrenzer?

Een snelheidsbegrenzer is een systeem dat het toerental van een motor constant houdt op basis van de motorbelasting, door de stand van de gasklep te regelen.

Hoe werkt een centrifugale snelheidsbegrenzer?

Bij een centrifugale toerentallimiter wordt de toerentalverhoging gevolgd door een uitwaaiering van de vlieggewichten onder invloed van de centrifugale kracht. Dit activeert een gasklepreactie die evenredig is met de opgewekte veerspanning.

Wat zijn de beperkingen van mechanische toerentallimiters?

De meeste mechanische toerentallimiters hebben beperkingen die voortkomen uit de traagheid van de mechanische systemen, een geringere nauwkeurigheid en een langzamere reactietijd, alles in vergelijking met elektronische toerentallimiters.

Hoe verbeteren elektronische toerentallimiters mechanische systemen?

Elektronische toerentallimiters bieden ook een betere reactietijd, hogere precisie en betere aanpasbaarheid in vergelijking met mechanische systemen. Deze toerentallimiters bieden bovendien een nauwkeuriger snelheidsregeling van systemen onder diverse omstandigheden.